Masteroppgave 2021 30 stp
Fakultet for kjemi, bioteknologi og matvitenskap
Syntese mot et glykokonjugat basert på xylan
Synthesis towards a glycoconjugate based on xylan
Karoline Sætersdal Nilssen
Kjemi og bioteknologi
Forord
Denne oppgaven er skrevet og gjennomført våren 2021. Det praktiske arbeidet med oppgaven ble utført ved kjemiavdelingen på fakultetet for kjemi, bioteknologi og matvitenskap ved Norges miljø- og biovitenskapelige universitet.
Jeg vil først og fremst takke mine veiledere professor Yngve Stenstrøm og Dr. Simen Antonsen for en interessant oppgave. Takk for god veiledning gjennom hele prosessen, og tilrettelegging i en spesiell situasjon som oppstod grunnet koronapandemien. Deres veiledning og tilbakemeldinger har vært en trygghet i en uforutsigbar tid.
Takk også til Bjørge Westereng og Shaun Leivers for bakgrunnen til prosjektet.
Takk til overingeniør Anne Gravdahl for bestilling av kjemikalier.
Takk til alle de andre studentene på syntesegruppen for fine dager sammen på laboratoriet.
Til slutt en stor takk til min samboer Jonas, familie, gode venner og mine tålmodige hunder for deres støtte og oppmuntring gjennom hele studiet.
Ås, mai 2021
Grafisk sammendrag
Sammendrag
I denne oppgaven skulle xylan hentet fra biomasse fra løvtrær modifiseres, og forhåpentligvis gi ønskede reologiske egenskaper i fôr-pellets. I oppgaven skulle en palladiumkatalysator syntetiseres og brukes til å oksidere xylan, som videre skulle modifiseres til et glykokonjugat.
Første del av oppgaven innebar syntese av en palladiumkatalysator. Denne ble laget gjennom tre steg; først ble (2,9-dimetyl-1,10-fenantrolin)Pd(OAc)2 laget ved å reagere neocuproine og palladium(II)acetat. Videre ble (2,9-dimetyl-1,10-fenantrolin)Pd(MeCN)2(OTf)2 laget ved å reagere produktet fra steg én, (2,9-dimetyl-1,10-fenantrolin)Pd(OAc)2, med acetonitril og trifluormetansulfonsyre. Til slutt ble katalysatoren [(2,9-dimetyl-1,10-fenantrolin)Pd(μ- OAc)]2(OTf)2 laget ved å reagere produktene fra steg én og to.
Videre skulle katalysatoren brukes til å oksidere den reduserende enden av xylan. Denne oksidasjonen ville oksidert C3 hydroksylgruppen til en karbonylgruppe. Deretter skulle palmitinsyre og N-Boc-piperazin kobles sammen i en amidkobling, før piperazin-enheten skulle avbeskyttes. Til slutt skulle amidet kobles til karbonylgruppen på xylankjeden gjennom reduktiv aminering. Denne delen av oppgaven kunne ikke gjennomføres grunnet restriksjoner i forbindelse med koronapandemien.
Abstract
In this thesis, xylan obtained from biomass from hardwood was to be modified, and hopefully give the desired rheological properties in feed pellets. In the task, a palladium catalyst was to be synthesized and used to oxidize xylan, which was to be further modified into a glycoconjugate.
The first part of the task involved the synthesis of a palladium catalyst. This was made through three steps; first, (2,9-dimethyl-1,10-phenanthroline)Pd(OAc)2 was made by reacting neocuproine and palladium (II) acetate. Furthermore, (2,9-dimethyl-1,10- phenanthroline)Pd(MeCN)2(OTf)2 was made by reacting the product from step one, (2,9- dimethyl-1,10-phenanthroline)Pd(OAc)2, with acetonitrile and trifluoromethanesulfonic acid.
Finally, the catalyst [(2,9-dimethyl-1,10-phenanthroline)Pd(μ-OAc)]2(OTf)2 was made by reacting the products from steps one and two.
Furthermore, the catalyst was to be used to oxidize the reducing end of xylan. This oxidation would oxidize the C3 hydroxyl group to a carbonyl group. Then palmitic acid and N-Boc- piperazine were to be coupled together in an amide coupling, before the piperazine unit was to be deprotected. Finally, the amide was to be attached to the carbonyl group on the xylan chain through reductive amination. This part of the task could not be completed due to restrictions in connection with the corona pandemic.
Forkortelser
ATP Adenosin trifosfat (Adenosine triphosphate)
Bn Benzyl
Boc Tert-butyloksykarbonyl
Bz Benzoyl
CBS Corey–Bakshi–Shibata
CDI N,N’-karbonyldiimidazol
DCC N,N’-dicyclohexylcarbodiimide
DMC 2-klor-1,3-dimetylimidazoliniumklorid
DMSO Dimetylsulfoxid
DNA Deoksyribonukleinsyre
FAA Fettsyreamid (Fatty acid amid)
LPMO Lytic polysaccharide monooxygenases
PUFA Flerumettet fettsyre (Polyunsaturated fatty acid)
RNA Ribonukleinsyre
TEMPO (2,2,6,6-tetrametylpiperidin-1-yl)oksyl eller (2,2,6,6- tetrametylpiperidin-1-yl)oksidanyl
TMSI Trimetylsilyliodid
Innholdsfortegnelse
Forord ... i
Grafisk sammendrag ... ii
Sammendrag ... iii
Abstract ... iv
Forkortelser ... v
Innholdsfortegnelse ... vi
1. Introduksjon ... 1
1.1 Mål med oppgaven ... 1
1.2 Karbohydrater ... 2
1.2.1 Glykokonjugater ... 3
1.2.2 Karbohydratkjemi ... 4
1.2.3 Xylan ... 10
1.3 Regioselektive reaksjoner... 13
1.4 Kjemisk bakgrunn ... 17
1.4.1 Regioselektiv oksidasjon ... 17
1.4.2 Organometallisk kjemi ... 23
1.4.3 Amidsyntese ... 26
1.4.4 Aminering ... 29
1.5 Syntesestrategi ... 33
2. Resultater og diskusjon ... 36
2.1 Syntese av palladiumkatalysator ... 36
2.1.1 Syntese av (2,9-dimetyl-1,10-fenantrolin)Pd(OAc)2 (34) ... 36
2.1.2 Syntese av (2,9-dimetyl-1,10-fenantrolin)Pd(MeCN)2(OTf)2 (35) ... 37
2.1.3 Syntese av [(2,9-dimetyl-1,10-fenantrolin)Pd(μ-OAc)]2(OTf)2 (33) ... 37
3. Konklusjon og videre arbeid ... 38
4. Eksperimentelt ... 40
4.1 Generelle bemerkninger ... 40
4.2 Syntese av palladiumkatalysator ... 40
4.2.1 Syntese av (2,9-dimetyl-1,10-fenantrolin)Pd(OAc)2 (34) ... 40
4.2.2 Syntese av (2,9-dimetyl-1,10-fenantrolin)Pd(MeCN)2(OTf)2 (35) ... 40
4.2.3 Syntese av [(2,9-dimetyl-1,10-fenantrolin)Pd(μ-OAc)]2(OTf)2 (33) ... 41
4.3 Test av palladiumkatalysator ... 42
4.3.1 Test med mannose ... 42
5. Planlagt fremgangsmåte ... 43
5.5.1 Metode 1 – Chung og Waymouth ... 43
5.5.2 Metode 2 – Minnaard-gruppen ... 44
5.2 Amidkobling ... 44
5.3 Avbeskyttelse av N-Boc ... 45
5.4 Reduktiv aminering ... 46
6. Referanser ... 47
7. Vedlegg ... 58
7.1 Spektrale data av (2,9-dimetyl-1,10-fenantrolin)Pd(OAc)2 (34) ... 58
7.2 Spektrale data av (2,9-dimetyl-1,10-fenantrolin)Pd(MeCN)2(OTf)2 (35)... 59
1. Introduksjon
1.1 Mål med oppgaven
Polysakkarider fra plantebiomasse er den største kilden til fornybare kjemikalier på jorden og kan potensielt omdannes til et bredt utvalg av nyttige glykokonjugater. Potensielle anvendelser av glykokonjugater kan være innen terapeutisk medisin, vaksineutvikling, fine kjemikalier, mat- og fôrmodifiserende midler og prebiotika. Westereng et al. har jobbet med slike modifikasjoner av glykokonjugater, blant annet ved hjelp av LPMOer (Lytic polysaccharide monooxygenases).1 LPMOer er kraftige enzymer kjent for deres anvendelse i cellulosenedbrytning. Westereng et al. benyttet disse enzymene til å spesifikt oksidere ikke- reduserende ender av karbohydrater for å introdusere karbonylgrupper som kunne brukes til kjemisk kobling.1
Oksidasjon av den ikke-reduserende enden av karbohydrater kan også gjøres kjemisk. Målet med denne oppgaven var å bruke etablerte prosedyrer til å selektivt oksidere et karbohydrat, xylan, og bruke det oksiderte karbohydratet til å syntetisere et glykokonjugat (1), vist i figur 1- 1. Den planlagte syntesen benyttet en palladiumkatalysator som også måtte syntetiseres.
Figur 1-1. En generisk struktur av målmolekylet 1 – et glykokonjugat med en polar (blå) og upolar (rød) ende.
Målmolekylet (1) består av både en polar og en upolar del, og er et syntetisk molekyl som ikke forekommer i naturen. Det endelige målet med oppgaven er å benytte biomasseavfall til å produsere forbindelser, som med oppgavens modifiseringer, kan være biologisk viktige.
Målmolekylet (1) er tenkt til å brukes til å endre reologiske egenskaper i fôr og forhåpentligvis gi ønskede egenskaper i pellets.
1.2 Karbohydrater
Ordet "karbohydrater" kommer av at den empiriske formelen til disse forbindelsene kan uttrykkes som Cx(H2O)y, eller med andre ord hydrater av karbon. Imidlertid kan ikke alle karbohydrater falle under denne presise støkiometriske definisjonen, men det gamle navnet har forblitt det samme. Nå defineres heller karbohydrater som polyhydroksyaldehyder, polyhydroksyketoner eller substrater som lager de nevnte forbindelsene ved hydrolyse. Det er i hovedsak to funksjonelle grupper som utgjør de kjemiske egenskapene til karbohydrater;
hydroksylgrupper og karbonylgrupper.2
Sakkarider er synonymt med karbohydrater, og har opphav i det latinske ordet for sukker, sacccharum, etter den søte smaken av noen enkle karbohydrater, som glukose3. Karbohydrater klassifiseres etter deres struktur som monosakkarider (én sukkerenhet), oligosakkarider (to-ti sukkerenheter) eller polysakkarider (flere enn ti sukkerenheter). Glukose (2) og xylose (3) er eksempler på monosakkarider, og cellulose (4) og xylan (5) er eksempler på polysakkarider bestående av henholdsvis glukose- og xyloseenheter (skjema 1-1).
Skjema 1-1. Struktur av glukose (2), xylose (3), cellulose (4) og xylan (5).
En sukkerenhet som finnes i alle levende organismer er ribose. Ribose er en essensiell del av nukleinsyrene som inngår i arvematerialet til alle levende organismer. Ribose og deoksyribose (avledet fra ribose) er sukkerenhetene som inngår i «ryggraden» av henholdsvis RNA og DNA (figur 1-2).
Figur 1-2. Nukleotider som inngår i henholdsvis DNA og RNA.
I fotosyntesen er karbohydrater er blant de første organiske forbindelsene som produseres.
Disse karbohydratene kan brukes som umiddelbar kilde til energi eller som strukturelle komponenter i celleveggen. Cellulose kan eksempelvis brukes som en komponent i celleveggen, men kan også brukes i syntesen av energilagerforbindelser som stivelse. Disse viktige forbindelsene er også mat for andre dyr og mikroorganismer. Under metabolismen brytes lange karbohydratkjeder ned til mindre enheter, eksempelvis glukose, som videre oksideres til pyruvat i glykolysen. Pyruvat brytes ytterligere ned i sitronsyresyklusen for å gi energi i form av ATP.2, 3
1.2.1 Glykokonjugater
Mer komplekse karbohydrater betegnes ofte som glykaner eller karbohydratpolymerer.
Glykaner som danner kovalente bindinger til andre kjemiske forbindelser som proteiner, peptider, lipider eller andre forbindelser kalles glykokonjugater. I tillegg til sine egenskaper som energireservoarer og strukturelle komponenter, kan glykokonjugater være informasjonsbærere. Noen fungerer som signaler mellom celler eller gjenkjenningsseter for ekstracellulære signalmolekyler (for eksempel vekstfaktorer) eller ekstracellulære parasitter (som bakterier eller virus). Andre glykokonjugater kan merke proteiner som for å informere om proteinets intracellulære destinasjon eller om misdannede proteiner skal destrueres. I nær alle eukaryotiske celler er plasmamembranen dekket av et lag med oligosakkarider, som danner en informasjonsrik overflate som cellen viser til sine omgivelser. Disse oligosakkaridene er sentrale i celle-celle-gjenkjennelse og -adhesjon, cellemigrasjon under utviklingsfasen, blodproppdannelse, immunrespons, sårlegning, og andre cellulære prosesser.3
1.2.2 Karbohydratkjemi
Karbohydratkjemi omfavner syntesen, strukturen og funksjonen av karbohydrater.
Karbohydrater deler en generell struktur, og det er av denne grunn stor interesse for selektiv formasjon av glykosidbindinger og selektiv reaksjon av hydroksylgrupper, som ofte er avhengig av beskyttelsesgrupper.
Skjema 1-2. Glykosyleringsreaksjon mellom en glykosyldonor (svart) (6) og en glykosylakseptor (rød) (7) som lager et - og β-O-glykosid (8 & 9).
En av de mest sentrale reaksjonene i karbohydratkjemi glykosyleringsreaksjonen. I denne reaksjonen dannes det en glykosidbinding mellom en glykosyldonor og en glykosylakseptor (skjema 1-2). En glykosyldonor (6) er et karbohydrat med en utgående gruppe på det anomere karbonet, og en glykosylakseptor (7) er en nukleofilinnholdende forbindelse som vil reagere med det anomere karbonet på glykosyldonoren. Dersom glykosylakseptoren er et aglykon (et ikke-karbohydrat) vil produktet betegnes som et glykosid, men dersom akseptoren er et sakkarid vil produktet være et oligosakkarid.2 Glykosyleringen danner et nytt stereogent senter ved glykosidbindingen, og det forventes at det produseres en blanding av produkter med aksial (8) og ekvatorial (9) glykosidbinding, som betegnes henholdsvis - og β-anomerer.
Glykosidbindinger går ofte gjennom oksygen, men er ikke begrenset til oksygen, da S-, N- og C-glykosider er velkjente forbindelser (figur 1-3).
Figur 1-3. Struktur av et S-glykosid (10), N-glykosid (11), og C-glykosid (12).
I tradisjonelle syrekatalyserte reaksjoner vil glykosyldonoren bli aktivert for å danne en elektrofil spesie som vil reagere med den nukleofile glykosylakseptoren. Flere former for aktivering er brukt i dag, blant annet å danne glykosyliodider, tioglykosider og trikloracetimidater. Glykosyliodider kan blant annet lages ved reaksjon med trimetylsilyliodid (TMSI) (skjema 1-3a)4, tioglykosider blir ofte laget ved reaksjon med bortrifluorideterat (BF3•OEt2) og den ønskede tiolen (SH-R) (skjema 1-3b)5-7, og trikloracetimidater lages ved tilsetning av trikloracetonitril (Cl3CCN) i et basisk miljø (skjema 1-3c)8. De overnevnte reaksjonene utføres på beskyttede sukkerenheter.
Skjema 1-3. Aktivering av glykosyldonorer. a) glykosyliodider4, b) tioglykosider5-7 og c) trikloracetimidater8.
1.2.2.1 Beskyttelsesgrupper
Beskyttelsesgrupper brukes aktivt innen organisk syntese av komplekse molekyler. Disse gruppene kan bidra til å spesifikt styre stereo-, regio- og/eller kjemoselektiviteten i en reaksjon.
En god beskyttelsesgruppe vil selektivt blokkere den eller de ønskede funksjonelle gruppene, vil være stabil i den påfølgende reaksjonen og vil kunne fjernes under milde betingelser.9 Stereo- og regioselektivitet i en reaksjon betyr at en enantiomer eller isomer er favorisert som produkt over en annen. For eksempel, slik som illustrert i skjema 1-4a og -b, er S-enantiomeren og det trisubsituerte alkenet er favorisert over henholdsvis R-enantiomeren og det disubstituerte
styre stereoselektivteten i en reaksjon til å nesten utelukkende produsere den ene enantiomeren.10 Dersom katalysatoren har en R-konfigurasjon, slik som i skjema 1-4, vil produktet stort sett være i S-konfigurasjon, og omvendt dersom katalysatoren har en S- konfigurasjon. Ved kjemoselektivitet er en funksjonell gruppe favorisert over en annen, slik som vist i skjema 1-4c.
Skjema 1-4. Reaksjoner som demonstrerer a) stereo-, b) regio- og c) kjemoselektivitet. Major = hovedprodukt, Minor = ikke-hovedprodukt.
Karbohydrater inneholder mange funksjonelle grupper, og mange av dem er av samme type;
hydroksylgrupper. Ved ønske om kjemoselektiv reaksjon ved kun én av disse gruppene brukes det ofte beskyttelsesgrupper. Beskyttelsesgrupper blokkerer midlertidig de andre funksjonelle gruppene for å unngå reaksjon ved disse. En god beskyttelsesgruppe må møte en rekke krav: 1) den må selektivt reagere med de ønskede funksjonelle gruppene, 2) den må selektivt fjernes med godt utbytte med et reagens som er lett tilgjengelig, 3) den bør danne et derivat, uten å generere nye stereogene sentre, og som lett kan skilles fra sideprodukter, og 4) den bør ha minimalt med funksjon for å hindre andre uønskede reaksjoner.11 Noen av de vanligste beskyttelsesgruppene12, også brukt under glykosylering, er presentert i tabell 1-1.
Tabell 1-1. Noen av de vanligste beskyttelsesgruppene brukt til å beskytte hydroksylgrupper på karbohydrater.12
Funksjonalitet Beskyttelsesgr. Struktur Introduseres med: Avbeskyttes med:
Ester
Acetyl (Ac) Ac2O, pyridin CH3NaO og MeOH,
NH4+ og MeOH
Benzoyl (Bz) BzCl CH3NaO og MeOH,
NH4+ og MeOH
Eter Benzyl (Bn) BnBr, NaH H2 og Pd(C) i EtOH,
Na/NH3 (l)
Sykliske acetaler
Benzyliden Dimetoksy-
metylbenzen, H+ AcOH, TFA
Isopropyliden Dimetoksypropan,
H+ AcOH
Som vist i tabell 1-1 er acetyl- og benzoylgrupper de mest brukte beskyttelsesgruppene som danner en esterbinding til sukkermolekylet. Disse introduseres vanligvis ved bruk av acylhalider eller anhydrider (skjema 1-5).13 Avbeskyttelse av disse gruppene skjer normalt ved bruk av natriummetoksid i metanol (skjema 1-5).14 Denne metoden ble først rapportert av Zémplen og Knutz i 192414, 15, og disse reaksjonsbetingelsene er derfor også kjent som Zémplenbetingelsene. Avbeskyttelsesreaksjonen er en O-avbeskyttelse av acylgrupper ved transesterifisering.14 Metoksidet angriper karbonylkarbonet til acylgruppen og danner en ny ester med acylgruppen, og hydroksylgruppen på sukkeret står igjen ubeskyttet. De milde betingelsene og generelt gode utbyttene har gjort at denne teknikken er mye brukt i dag.14
Skjema 1-5. Acetylering med eddiksyreanhydrig og deacetylering ved Zemplénbetingelser
Benzyleter er en av de vanligste beskyttelsesgruppene i eterklassen. Denne beskyttelsesgruppen er resistent mot både sterke syrer og baser16, og introduseres med benzylbromid og
trikloraxetimidat eller benzyl-triflat som reagens. Disse alternative metodene er mindre effektive, og kan bare brukes ved beskyttelse av én eller få grupper.12
Skjema 1-6. Benzylering og debenzylering av et sukkermolekyl.
Sykliske acetaler kan beskytte to hydroksylgrupper om gangen. Benzyliden og isopropyliden er de to mest brukte beskyttelsesgruppene av denne typen. Fordelen med slike beskyttelsesgrupper er at de enkelt kan introduseres regioselektivt og kan modifiseres på mange ulike måter for å gi ulike beskyttelsesmønster.12 Beskyttelse med benzyliden skjer under standard acetyleringsforhold; aldehydet eller dimetoksyacetalet fungerer som reagenser sammen med en syrekatalysator (skjema 1-7).17 Avbeskyttelse av benzylgruppen kan oppnås ved behandling med syrehydrolyse, hvor for eksempel eddiksyre ved høytemperatur kan benyttes (skjema 1-7).12
Skjema 1-7. Beskyttelse og avbeskyttelse av isopropyliden eller benzyliden på metyl- -D-glukopyranosid.
Beskyttelsesgrupper brukes også utenfor karbohydratkjemi og tjener samme formål. En tert- butyloksykarbonylgruppe, eller en Boc-gruppe, er en etablert beskyttelsesgruppe som ofte brukes til å beskytte aminogrupper, slik som for eksempel 4-(Boc-amino)benzaldehyd (14) skjema 1-8.18-20 Boc-gruppen er ofte foretrukket i aminobeskyttelse på grunn av dens stabilitet mot nukleofile reagenser, hydrogenolyse og basehydrolyse.21, 22
George et al.9 ønsket å lage en mild avbeskyttelsesprosedyre som skånet sensitive molekyler som ikke tålte sterke avbeskyttelsesmetoder. De foreslo å bruke oksalylklorid (15) (Skjema 1- 8) som reagens i avbeskyttelsen av Boc-gruppen ettersom oksalylklorid er et lett tilgjengelig organisk reagens med mange anvendelsesområder. De utviklet en prosedyre som brukte 3 ekvivalenter oksalylklorid i metanol, se skjema 1-8, som ga gode til utmerkede utbytter på ulike aromatiske, alifatiske og heterosykliske substrater. Gjennom gasskromatografi studerte George et al.9 avbeskyttelsen av en modellforbindelse, og ut ifra de observerte mellomproduktene la de frem et forslag til en mulig mekanisme for avbeskyttelsen av N-Boc-gruppen, vist i skjema 1- 9.
Skjema 1-9. Foreslått mekanisme for avbeskyttelse av N-Boc med oksalylklorid (15).9
1.2.3 Xylan
Karbohydratkjemi utføres stort sett på mono- og disakkarider, og mer sjeldent på større molekyler som oligosakkarider da det er utfordrende å holde oversikt over endringer i større molekyler. Særlig kan det bli vanskelig med oligosakkarider med udefinerte lengder på kjedene sine. Xylan er en slik forbindelse (figur 1-4), og i denne oppgaven skal karbohydratkjemi forsøkes på dette oligosakkaridet hentet fra biomasse av løvtrær.
Figur 1-4. Generisk struktur av xylan
Trær deles inn i to undergrupper, løvtrær og bartrær, og klassifiseres ut ifra treets biologi.
Løvtrær er angiospermer og har frøene sine lukket i blomstens eggstokk. Eksempler på løvtrær er bjørk, ask og eik. Bartrær er gymnospermer og hvor treets frø ikke er innelukket. Slike trær er eksempelvis gran, furu og edelgran.23
Alt organisk plantemateriale er sammensatt av hovedsakelig tre forskjellige bestanddeler;
cellulose, hemicellulose og lignin. Forholdet mellom disse bestanddelene varierer mellom arter og individer, men består vanligvis av 40-50% cellulose, 25-35% hemicellulose og 20-35%
lignin. I tillegg vil materialet bestå av noen lipider, proteiner og uorganisk materiale (aske), men dette utgjør ikke mer enn 5-10%.24
Cellulose er den mest utbredte organiske polymeren på planeten. Cellulose er en homopolymer av cellobiose, som er en dimer av β-D-glukose, hvor hver glukoseenhet er rotert 180 i forhold til naboenheten. Dimerene er koblet sammen i en (1-4)-glykosidbinding og kjedene kan inneholde opp til 15 000 enheter.25-27
Den andre bestanddelen i plantemateriale er hemicellulose. Dette er en heteropolymer, som i likhet med cellulose har en karbohydrat-ryggrad. Hemicellulose er imidlertid mer kompleks og amorf enn cellulose, og med kortere kjeder på opp til 3 000 enheter. Strukturen er forgrenet og består av flere ulike karbohydrater.25 Den kjemiske sammensetningen av karbohydrater varier
mellom løvtrær og bartrær, i tillegg til hvor i celleveggen materialet er hentet fra. De to viktigste hemicellulosene er xylan og glukomannan.28
Lignin er den tredje bestanddelen i biomassen, og er det største reservoaret av fornybare aromatiske forbindelser i verden.29, 30 Lignin er et komplekst molekyl med forgrening og en amorf struktur som fyller rommet i celleveggen mellom cellulose og hemicellulose.25 Lignin består av tre ulike byggeklosser som kalles monolignoler. Monolignolene er 4-(3-hydroksy-1- propenyl)fenol (H), 4-(3-hydroksy-1-propenyl)-2-metoksyfenol (G) og 4-(3-hydroksy-1- propenyl)-2,6-dimetoksyfenol (S) (figur 1-5).
Figur 1-5. Lignin markostruktur og monolignolene; 4-(3-hydroksy-1-propenyl)fenol (H), 4-(3-hydroksy-1- propenyl)-2-metoksyfenol (G) og 4-(3-hydroksy-1-propenyl)-2,6-dimetoksyfenol (S).31
Som nevnt er xylan en av de viktigste karbohydratene i hemicellulose. Xylan hentet fra biomasse av løvtrær og bartrær har en ryggrad av β-1,4-bundet xylosemolekyler som er substituert av 1) -4-O-metylglukuronsyre i C2-posisjonen på xylose, 2) -arabinose i C2- eller C3-posisjonen på xylose (mest vanlig på bartrær), og 3) acetylestere på C2- eller C3-posisjonen på xylose (mest vanlig på løvtrær) (figur 1-6).28
Figur 1-6. Xylanstruktur i løvtrær og bartrær. D-Xyl/D-Xyla = D-xylose eller D-xylose acetylert i C2 posisjon, 4-O-MeGlucA = 4-O-metylglukoronsyre, L-Arab = L-arabinose.32
Xylan har lenge vært av interesse for materialforskere.33-39 Ikke-modifisert xylan kan ikke brukes i industrien på grunn av xylans dårlige materialegenskaper. Dagens forsking fokuserer derfor på å modifisere xylan for å øke dens anvendelighet. Kjemiske modifikasjoner som har blitt forsøkt er kationisering40, 41, karboksymetylering 42, 43, acylering44, 45, og «polymer grafting»46.
En metode for å forbedre materialegenskapene til xylan er ved oksidasjon. I tillegg til å forbedre materialegenskapene vil oksidasjonen også utstyre xylan med et reaktivt punkt. Dette reaktive punktet kan virke som en ankergruppe for funksjonelle molekyler, som antigener og enzymer, eller som en reaktiv posisjon som kan binde molekyler fra omgivelsene.47
TEMPO oksidasjon, en forkortelse for (2,2,6,6-tetrametylpiperidin-1-yl)oksyl eller (2,2,6,6- tetrametylpiperidin-1-yl)oksidanyl oksidasjon, er en metode mye brukt på cellulosematerialer.
Denne metoden kan derimot ikke brukes på xylan ettersom xylose (monomeren i xylan) ikke har en primær hydroksylgruppe på C6 posisjonen, slik som glukose (monomeren i cellulose) har. C6 hydroksylgruppen er TEMPO sitt angrepspunkt, og vil derfor ikke kunne angripe xylan.
Derimot har periodat vist seg å løse problemet med oksidasjon av xylan (skjema 1-10), og kan enkelt brukes på både laboratorieskala og industriell skala.48, 49
Skjema 1-10. Oksidasjon av xylan med periodat.48
Periodat oksidativ spaltning av vicinale glykoler ble oppdaget av Malaprade50, og siden da har reaksjonen funnet anvendelse i syntese og som et analytisk verktøy i karbohydratkjemi.
Kjemisk modifisering av polysakkarider av periodater produserer dialdehydpolymerer, som har en rekke interessante applikasjoner innen vevsteknikk51, 52, legemiddeltilførsel53, 54, som flokkuleringsmidler55 og for separasjon av ionebytte.56
1.3 Regioselektive reaksjoner
Innen karbohydratkjemi er som nevnt bruk av beskyttelsesgrupper svært utbredt.
Beskyttelsesgrupper tillater regio- og stereoselektivitet ved reaksjoner som eksempelvis glykosylering.57 Beskyttelsesgrupper kan derimot ofte gjøre en syntese logistikkmessig ineffektiv, både med hensyn til antall syntesetrinn og atomøkonomi og mengde reagens, løsningsmidler etc. som trengs. Med karbohydrater kan beskyttelses- og avbeskyttelsestrinnene føre til spalting av indre glykosidbindinger i lengre oligosakkarider. Selektiv oksidasjon av karbohydrater uten bruk av beskyttelsesgrupper har historisk sett vært begrenset til enzymer58, men i nyere tid har interessen for å gjøre dette kjemisk økt.
Freimund et al.58 oksiderte karbohydrater med pyranoseoksidase fra Peniophora gigantea, og fant at enzymet effektivt kunne oksidere et vidt spekter av substrater, men at den enzymatiske aktiviteten varierte mellom ulike substrater. De observerte regioselektiv oksidasjon ved C2 og C3, men også hydrolyse av glykosidbindinger i disakkarider og overføring av glykosylenheter som dannet disakkarider (skjema 1-11). Dette antydet at enzymet hadde to egenskaper, både oksidative og hydrolytiske egenskaper. På grunn av den varierende enzymaktiviteten var ikke denne metoden egnet for allsidig oksidasjon av karbohydrater. Haltrich-gruppenforsøkte også enzymatisk oksidasjon med pyranosedehydrogenase fra Agaricus meleagris.59, 60 De observerte vellykket oksidasjon med denne metoden, men oksidasjonen var ikke selektiv og produserte
flere ulike produkter for hvert substrat. Derfor var heller ikke denne metoden egnet for stereo- og regioselektiv syntese.
Skjema 1-11. a) Oksidasjon av D-glukose med pyranoseoksidase b) Overføring av glukoseenheter fra fenyl- β-D-glukose til fenyl-β-D-glukose-β(1-6)-D-glukose med pyranoseoksidase.58
Ved kjemiske metoder for selektiv reaksjon på karbohydrater har ofte det anomere karbonet eller en primær hydroksylgruppe blitt reagert. Til nå har det blitt gjort lite arbeid med å utvikle metoder for selektiv reaksjon på de sekundære hydroksylgruppene. En grunn til dette er at det er betydelig enklere å reagere den funksjonelle gruppen på det anomere karbonet. På et ubeskyttet monosakkarid er pKa-verdien av den anomere hydroksylgruppen betydelig høyere enn de andre hydroksylgruppene (pKa 12.1-12.5).61-64 Den anomere hydroksylgruppen har dermed nukleofile egenskaper som skiller seg fra de andre hydroksylgruppene, en egenskap som tillater selektive reaksjoner ved den anomere hydroksylgruppen.
Bruk av 2-klor-1,3-dimetylimidazoliniumklorid (DMC) (16) (figur 1-7) i organisk syntese har vært aktuelt siden 1972 da det ble brukt til amidering av penicillansyre65, men fikk ikke mange bruksområder66 før den ble utviklet til å være et allsidig dehydreringsmiddel som kunne erstatte disykloheksylcarbodiimid (DCC) av Isobe og Ishikawa sent på 1990-tallet.67-69 Et tiår senere innså Shoda og medarbeidere den potensielle bruken av 16 innen karbohydratkjemi for selektive reaksjoner på det anomere karbonet.70
Figur 1-7. Struktur av 2-klor-1,3dimetylimidazoliniumklorid (DMC) (17) og 2-klor-4,6-dimetoksy-1,3,5- triazin (18).
Nøkkelen til selektiv aktivering av det anomere senteret med DMC er den økte surheten av den anomere hydroksylgruppen. Shoda et al.’s prosedyre viser at reaksjonen krever et basisk miljø (skjema 1-12), hvor det antas at den anomere hydroksylgruppen deprotoneres. Deprotoneringen øker nukleofilisiteten av den funksjonelle gruppen på det anomere karbonet i så stor grad at den deprotonerte gruppen utkonkurrerer både vann og de andre hydroksylgruppene som nukleofil for reaksjonen med DMC (17).
Skjema 1-12. Foreslått mekanisme av DMC (17) aktivering av ubeskyttet galaktose.71
DMC (17) er tydelig elektrofil og kan bli angrepet av en nukleofil på karbonatomet mellom nitrogenatomene i imidazolringen. Videre må en god nukleofil forbindelse tilsettes, som kan utkonkurrere både vann og andre hydroksylgrupper fra sukkermolekyler for å koble seg til det aktiverte intermediatet (21) (skjema 1-12). Shoda gruppen brukte denne metoden på både ubeskyttede mono- og oligosakkarider ved hjelp av både 2-klor-1,3dimetylimidazoliniumklorid (DMC) (17) og 2-klor-4,6-dimetoksy-1,3,5-triazin (18) (figur 1-7) som aktiveringsmidler.72-74
brukt DMC til å selektivt acetylere ubeskyttede sukkere (skjema 1-13).75 Shoda gruppens prosedyre har også blitt vist å fungere på større, forgrenede oligosakkarider med svært gode utbytter, illustrert i skjema 1-14.71
Skjema 1-13. Selektiv acetylering av det anomere hydroksylgruppen av galaktose (19) i vann. Reagenser og forhold: a) Et3N (10 ekvivalenter.), AcSH (5 ekvivalenter), H2O, 0 C, så DMC (17) (3 ekvivalenter), 30 minutter, 78% utbytte, kun β-anomerer.75
Skjema 1-14. Produksjon av N-glykanoksazoliner (25) fra N-glykaner (24) isolert fra naturlige kilder med
1.4 Kjemisk bakgrunn
1.4.1 Regioselektiv oksidasjon
En annen metode for selektiv modifikasjon av karbohydrater er selektiv oksidasjon. Dersom den primære hydroksylgruppen på et monosakkarid oksideres til en karboksylgruppe dannes det som betegnes som en uronsyre.76 Uronsyre er en klasse av sukkersyrer og kjennetegnes ved den relative reaktivitet av hydroskylgruppene sine, sin motstand mot hydrolyse av O- og N- glykosidbindinger og sin tendens til å gjennomgå β-eliminasjon.76 Syntesen av uronsyrene fenyl- og naftyl-β-D-glukuronid (27) fra de korresponderende arylglykosidene (26) (skjema 1- 15) er et eksempel på uronsyresyntese fra oversiktsartikkelen til Timoshchuk hvor sentrale synteseveier av uronsyre er samlet.76
Skjema 1-15. Syntesen av fenyl- og naftyl-β-D-glukuronider (27) fra de korresponderende arylglykosidene (26)76
Figur 1-8. Struktur av bis(tributyltin)oksid (28)
En av de første publikasjonene om regioselektiv oksidasjon av sekundære hydroksylgrupper på ubeskyttede karbohydrater behandlet karbohydratene med bis(tributyltin)oksid (28) (figur 1-8) etterfulgt av brominolyse og oppnådde oksidasjon av de fleste av de undersøkte forbindelsene.77 Tsuda et al.77 avdekket også et mønster ved oksidasjonen, som viste at oksidasjonen ville skje ved C-4 for glykosider som hadde en aksial glykosidbinding (29), og ved C-3 for de som har en ekvatorial glykosidbinding (31), slik som vist i skjema 1-16. I tillegg fant de at det vil skje en aksial oksidasjon for cis-1,2-glykoler. Muramatsu78 sitt arbeid på regioselektiv oksidasjon
et al. Disse metodene for selektiv oksidasjon er begrenset av den store støkiometriske mengden av organotinreagenser de krever.79
Skjema 1-16. Oksidasjon av metyl -D-Galaktopyranosid (29) og metyl β-D-Galaktopyranosid (31) med bis(tributyltin)oksid-brom.77
1.4.1.1 Overgangsmetall-katalysator
Overgangsmetall-katalysatorer har ofte blitt anvendt ved selektiv oksidasjon av sekundære hydroksylgrupper på karbohydrater. Et gjennombrudd ble gjort av Waymouth-gruppen, da de var de første til å syntetisere og ta i bruk palladiumkatalysatoren [(2,9-dimetyl-1,10- fenantrolin)Pd(μ-OAc)]2(OTf)2 (33), som også omtales som Waymouth-katalysatoren (figur 1- 9).80
Figur 1-9. Struktur av [(2,9-dimetyl-1,10-fenantrolin)Pd(μ-OAc)]2(OTf)2 (33)
Waymouth-gruppen ønsket å utvikle en svært aktiv oksidasjonskatalysator for potensiell bruk i brenselceller med lav temperatur, og undersøkte derfor aktive katalysatorsystemer som ville bidra i oksidative transformasjoner, særlig de som var aktive ved romtemperatur. De jobbet ut
kunne gjennomføre en selektiv oksidativ transformasjon med luft som terminal oksidant.81, 82 De ønsket særlig en katalysator som kunne oksidere alkoholer til aldehyder og ketoner, noe som hadde være et tema for mange tidligere publikasjoner. Waymouth-gruppen bestemte seg for å ligere palladium(II)komplekset med både et basisk, koordinerende acetation og et ikke- koordinerende triflat-motion som de håpet ville gi en svært aktiv alkoholoksiderende katalysator.80
Skjema 1-17. Syntese av [(2,9-dimetyl-1,10-fenantrolin)Pd(μ-OAc)]2(OTf)2 (33).80
Katalysatoren ble syntetisert ved å proporsjonere (2,9-dimetyl-1,10-fenantrolin)Pd(OAc)2 (34) og ditriflatanalogen (2,9-dimetyl-1,10-fenantrolin)Pd(MeCN)2(OTf)2 (35) (fremstilt ved å behandle 34 med trifluormetansulfonsyre) i acetonitril, som vist i skjema 1-17. Undersøkelser med 1H NMR spektroskopi viste at forbindelsen spesifiserer som en dimer og monomer i rask likevekt, slik som skjema 1-18 illusterer.80
Skjema 1-18. Resonans av palladiumkatalysatoren.80
Etter publikasjonen av den nye katalysatoren presenterte Waymouth-gruppen en kjemoselektiv katalytisk oksidasjon av glyserol og 1,2-propandiol ved hjelp av palladiumkomplekset (33) i løsning med enten benzokinon eller luft som terminal oksidant.83 De viste at ved bruk av 5 mol% palladiumkompleks og 3.0 ekvivalenter av benzokinon i acetonitril ved romtemperatur ble 97% av glyserolen konvertert i løpet av 15 minutter, med en selektivitet for ketonproduktet
Skjema 1-19. Selektiv oksidasjon av glyserol (37) til dihydroksyaceton (38).
Under de samme betingelsene, men løst i DMSO konverterte de også 98% av 1,2-propandiol i løpet av 20 minutter med en selektivitet på 96% for ketonproduktet. Ved oksidasjon av 1- og 2-heptanol var reaksjonen i motsetning saktegående og var ikke selektiv (10 timer, 45:55 keton/aldehyd). I samme publikasjon presenterte Waymouth-gruppen et forslag til mekanismen for den katalytiske oksidasjonen av 1,2-propandiol (39), gjengitt i skjema 1-20.83
Skjema 1-20. Foreslått mekanisme for katalytisk oksidasjon av 1,2-propandiol ved hjelp av [(2,9-dimetyl- 1,10-fenantrolin)Pd(μ-OAc)]2(OTf)2 (33) med 1,4-benzokinon(40) som terminal oksidant.83
Som nevnt observerte Waymouth-gruppen en høyere selektivitet for oksidasjonen av glyserol og 1,2-propandiol enn for 1- og 2-heptanol.83 De mente at dette antydet at de produkt- bestemmende trinnene for intra- og intermolekylær oksidasjon var ulike. En mulighet var at β- hydrid-eliminasjon ikke var det eneste produkt-bestemmende steget, men at både den reversible dannelsen av palladiumalkoksider og β-hydrid-eliminasjon bidro til selektiviteten. Dersom β- hydrid-eliminasjon var det eneste produktbestemmende steget ville de relative ratene for β- hydrid-eliminasjon for primære og sekundære alkoholer være ulike for 1,2-dioler og mono- alkoholer. Alternativt, hvis β-hydrid-eliminasjonen var reversibel, så kunne selektiv forskyvning av det bundne ketonet fra Pd-H intermediatet forklare den høye selektiviteten for hydroksyketonformasjonen.83
Minnaard-gruppen tok i bruk Waymouths katalysator og var med det de første til å publisere en katalytisk regioselektiv oksidasjon av ubeskyttede pyranosylglykosider, både mono- og disakkarider, til de korresponderende ketosakkaridene.79 De hentet inspirasjon fra arbeidet til Waymouth-gruppen om palladiumkatalysert oksidasjon av glyserol og 1,2-propandiol.80 Minnaard-gruppen ønsket å undersøke om katalysatoren kunne skille mellom de ulike sekundære hydroksylgruppene i karbohydratene, og gjennomføre selektiv oksidasjon.
Minnaard-gruppen innledet forsøket med å behandle metyl- -D-glukopyranosid (45) med katalysatoren (33) (2.5 mol%) i en vandig løsning av acetonitril med benzokinon som terminal oksidant, vist i skjema 1-21. Med 1H NMR og IR spektroskopi fant de at produktet 46 hadde blitt dannet.
Skjema 1-21. Selektiv oksidasjon av metyl- -D-glukopyranosid (45)
Da Minnaard-gruppen forsøkte samme reaksjon med DMSO som løsemiddel ble reaksjonstiden merkbart redusert, som førte til at de forsøkte å optimalisere katalyatorsystemet ytterligere. Ved forsøk med diklorbenzokinon (DCBQ) i stedet for benzokinon ble en raskere reaksjonstid oppnådd, men reaksjonen krevde større mengder katalysator, 1.1 mol% fremfor 0.5 mol% med benzokinon. Det ble også forsøkt å ha oksygen som terminal oksidant, men dette førte til en svært treg reaksjon, hvor 2.5 mol% katalysator og 48 timer ikke var nok til å oppnå en fullstendig konvertering av utgangsstoffet.79
Isolasjon av produktet 46 var opprinnelig problematisk grunnet produktets polaritet og antatte syre- og basesensitivitet. Når reaksjonen ble utførti vandig acetonitril viste det seg at 46 kunne isoleres rent og i 96% utbytte ved påfølgende vasking med eter og toluen, etterfulgt av fordamping av restvannet.79 I tilfellene hvor reaksjonen ble utført i DMSO ble hele blandingen perklorert over en kullkolonne med vann som elueringsmiddel. Denne behandlingen fjernet det meste av løsemiddelet, og påfølgende kromatografi på silikagel ved bruk av en mikstur av CH2Cl2/aceton/metanol/vann resulterte i det rene produktet, en metode inspirert av Besset et al.84 Minnaard-gruppen oksiderte en rekke karbohydrater, hvor noen av forsøkene er gjengitt i skjema 1-22 og skjema 1-23. De oppnådde et utbytte av 46, 48, 50 og 52 på henholdsvis 96%, 85%, 69% og 53%.79
Skjema 1-23. Selektiv oksidasjon av metyl β-D-maltosid (49) og metyl β-D-cellobiosid (51).79
Gjennom sine forsøk fant Minnaard-gruppen at katalysatoren hadde en selektivitet for å oksidere C3 hydroksylgruppen, men de kunne ikke forklare selektiviteten i sin helhet på tidspunktet.79 Ut ifra sine forsøk hadde de vist at stereokjemien på det anomere senteret C1 eller typen substituent på C1 var ikke relevant for reaksjonens forløp. De viste også at heller ikke C2 hydroksylgruppen spilte inn, ettersom den kunne utelates eller utveksles med en acetamidsubstituent og fortsatt oppnå samme resultat. Derimot viste de at metyl - mannopyranosid (53) og metyl -galactopyranosid (54) (figur 1-10) med henholdsvis aksial C2 hydroksylgruppe og aksial C4 hydroksylgruppe ikke ble selektivt oksidert. Den primære C6 hydroksylgruppen forble uberørt ved alle forsøkene, i tråd med observasjonene av Waymouth- gruppen. Minnaard-gruppen fant heller ikke at substitusjoner påvirket selektiviteten av oksidasjonen.79
Figur 1-10. Struktur av metyl -mannopyranosid (53) og metyl -galactopyranosid (54)
Minnaard-gruppen hadde en hypotese om at e regioselektiviteten til katalysatoren kunne skyldes en kinetisk kontrollert koordinasjon av katalysatoren til C3 hydroksylgruppen, etterfulgt av deprotonering og påfølgende hydrid-eliminasjon. Om katalysatoren samtidig var koordinert med C4 hydroksylgruppen var ikke helt klart, men dette kunne ha forklart den selektive oksidasjonen av disakkaridene 49 og 51 på den venstre enheten, men sterisk hindring kunne også forårsaket den samme effekten.
1.4.2 Organometallisk kjemi
Organometallisk kjemi er studiet av organometalliske forbindelser, forbindelser bestående av minst én kovalent binding mellom et karbonatom i et organisk molekyl og et metall, inkludert alkaliske, jordalkaliske og overgangsmetaller, og noen ganger utvidet til å omfatte metalloider som bor, silisium og selen.85 Det beslektede, men egne uttrykket "metallorganisk forbindelse"
refererer til metallholdige forbindelser som mangler direkte metall-karbonbindinger, men som inneholder organiske ligander. Feltet organometallisk kjemi kombinerer aspekter av tradisjonell uorganisk og organisk kjemi.86
Organometalliske forbindelser brukes mye både støkiometrisk i forskning og i industrielle kjemiske reaksjoner. De kan også brukes som katalysatorer for å øke hastigheten på slike reaksjoner, hvor målmolekyler inkluderer polymerer, legemidler og mange andre typer praktiske produkter. Eksempler på organometalliske forbindelser inkluderer Gilman-reagenser (55), som inneholder litium og kobber, og Grignard-reagenser (56), som inneholder magnesium (figur 1-11). Et naturlig forekommende organometallisk kompleks er metylkobalamin (en form for vitamin B12), som inneholder en kobolt-metylbinding.87
Figur 1-11. Generell struktur av Gilman-(55) og Grignard-reagenser (56). R = Organisk gruppe, X = halogen.
Flere Nobelpriser har blitt delt ut til innenfor feltet organometallisk kjemi, blant annet for metodeutviklingen av metallkatalysert alkenmetatese til Yves Chauvin, Robert Grubbs og Richard Schrock i 200588 og for palladiumkatalysert krysskobling i organisk syntese til Richard F. Heck, Ei-ichi Negishi, Akira Suzuki i 201089. Mange metallorganiske forbindelser brukes også i oksidasjons- og reduksjonsreaksjoner, slik som eksempelvis Dess-Martin periodinane (57) og diisobutylaluminium (DIBAL-H) (58) (figur 1-12).
Figur 1-12. Struktur av Dess-Martin periodinane (57) og DIBAL-H (58)
Skjema 1-24. SN1- og SN2-mekanisme.
Mange organiske molekyler kan syntetiseres ved hjelp av organometalliske komplekser og deres reaksjoner. Assosiativ substitusjon er eksempelvis en slik reaksjon og beskriver en prosess hvor forbindelser bytter ligander. Terminologien brukes vanligvis om koordinerings- og organometalliskekomplekser, men likner på SN2-mekanismen i organisk kjemi (skjema 1- 24). Assosiative reaksjonsveier karakteriseres av binding av den angripende nukleofilen for å
som gjennomgår assosiativ substitusjon er enten koordinativt umettet eller inneholder en ligand som kan endre sin binding til metallet. Den motsatte reaksjonen er dissosiativ substitusjon, og er analog med SN1-reaksjonen (skjema 1-24).90, 91 Dissosiativ substitusjon beskriver også en reaksjonsvei hvor forbindelser bytter ligander (skjema 1-25). Denne banen kan beskrives godt av cis-effekten, eller labiliseringen av CO-ligander i cis-stillingen. Forskjellen fra assosiativ substitusjon er at ved dissosiativ substitusjon er kompleksene ofte koordinativt mettet og har ofte oktaedrisk molekylær geometri.90, 91
Skjema 1-25. Assosiativ og dissosiativ substitusjon.
Oksidativ addisjon er en annen type organometallisk reaksjon som øker både oksidasjonstilstanden og koordinasjonsnummeret til et metallsenter. Oksidativ addisjon er ofte et trinn i katalytiske sykluser i forbindelse med den omvendte reaksjonen; reduktiv eliminering.92 I klassisk organometallisk kjemi øker metallets formelle oksidasjonstilstand og elektronantallet av komplekset med som oftest med to, men én-elektron-endringer er også mulige. Oksidativ addisjon er foretrukket for metaller som er basiske og/eller lett oksidert.
Metaller med relativt lav oksidasjonstilstand tilfredsstiller ofte ett av disse kravene, men selv metaller med høy oksidasjonstilstand gjennomgår oksidativ addisjon, som illustrert ved oksidasjon av Pt (II) med klor i skjema 1-26.
Skjema 1-26. Oksidativ addisjon av platinum(II)klorid med klor.
Reduktiv eliminering er den motsatte reaksjonen av oksidativ addisjon, hvor oksidasjonstilstanden til metallsenteret avtar mens det dannes en ny kovalent binding mellom to ligander. Reduktiv eliminasjon er ofte et produktdannende trinn i mange katalytiske prosesser. Fordi oksidativ addisjon og reduktiv eliminering er omvendte reaksjoner, gjelder de samme mekanismene for begge prosesser, og produktets likevekt avhenger av termodynamikken i begge retninger.92, 93
β-hydrid-eliminasjon er en organometallisk reaksjon der en alkylgruppe bundet til et metallsentrum blir omdannet til det tilsvarende metallbundne hydridet og et alken (skjema 1- 27).86Alkylet må ha hydrogen på β-karbonet. For eksempel kan butylgrupper gjennomgå denne reaksjonen, men metylgrupper kan ikke. Metallkomplekset må ha et tomt (eller ledig) sted cis til alkylgruppen for at denne reaksjonen skal skje.
Skjema 1-27. β-hydrid-eliminasjon.
1.4.3 Amidsyntese
Skjema 1-28. Generell syntese av fettsyreamider.
Fettsyreamider (FAAer) er amider formet av en fettsyre og et amin, ofte laget slik som skjema 1-28 viser. Disse danner grunnlaget for en rekke ulike metabolitter. Capsaicinoider og ceramider er FAAer som har vært kjent i mer enn et århundre, men det var først oppdagelsen av anandamid (60) (figur 1-13), også kalt N-arakidonyletanolamin, som førte til en økt interesse for FAAer.94 I dag er mange FAAer i ulike klasser kjent, og de utviser et stort spekter av egenskaper.
Figur 1-13. Capsaicin (59), den mest kjente capsaicinoiden, og anandamid (60)
Det har blitt vist at FAAer kan modulere kjerneresponser i pattedyrs nervesystemer og kontrollere en rekke basale fysiologiske prosesser, enten direkte eller indirekte. Dette betyr at FAAer kan virke som enten nevrotransmittere eller oppføre seg som hormoner.95-97 Det har også blitt vist at FAAer kan påvirke energibalanse, immunsystemet, matinntak, metabolsk homeostatis, fertilitet, depresjon og angst.98, 99 De har også blitt vist å påvirke celleproliferasjon,
og er derfor av stor interesse innen kreftforskning.100, 101 Dette er kun noen av de oppdagede egenskapene til FAAer, og de har av den grunn blitt svært interessante innen biomedisinsk forskning. Det blir fortsatt oppdaget nye FAAer, som bidrar til det vedvarende fokuset på disse molekylene innen kjemisk og biologisk forskning.102 En effektiv og generell syntese er derfor viktig for å kunne fremstille større mengder av disse molekylene, da de ofte forekommer i svært små mengder i naturen.102
Karboksylsyrer har en relativt lav reaktivitet. Derfor har amidsyntese tradisjonelt blitt gjennomført gjennom det korresponderende acylkloridet eller anhydridderivatet.103-109 Den første milde amidkoblingsprotokollen brukte N,N’-dicyclohexylcarbodiimide (DCC) (61) som et koblingsmiddel, som transformerte syrer til acylekvivalenter i nærvær av et ikke- halogenbasert dehydreringsmiddel (skjema 1-29).110 Slike protokoller er effektive og allsidige, men er også begrenset med tanke på kostnad, komplekse reagenshåndteringsprosedyrer og utfordringer med fjerning av biprodukter fra amidet.111-115
Skjema 1-29. Generell amidkobling med DCC (61).
Johansson et al.102 rapporterte en prosedyre som unngikk de overnevnte utfordringene, og påpekte at N,N’-karbonyldiimidazol (CDI) (62) (figur 1-14) var et reagens som var velkjent for å aktivere syrer, men som ofte ble oversett til fordel for andre metoder. CDI er rimeligere, mindre giftig og gir færre giftige biprodukter enn eksempelvis DCC.
Figur 1-14. Struktur av N,N’-karbonyldiimidazol (CDI) (62).
CDI har som rolle å omdanne karboksylsyrer til de korresponderende acylimidazolene under amidsyntese. CDI kan brukes på en rekke alifatiske, aromatiske og heterosykliske
håndterlige.116 Isolasjon av acylimidazoler er også enkelt, men ofte unødvendig da de som regel reagerer videre med en nukleofil i samme reaksjonskammer.116 Montalbetti et al. presenterte et forslag til hvordan CDI aktiverer fettsyren, gjengitt i skjema 1-30.117 Mekanismeforslaget viser først at acylkarboksyimidazol (63) og imidazol (64) blir laget, men at de raskt reagerer og lager et aktivert acylimidazol (65). Ved tilsetning av aminet (66) reageres aminet med acylimidazolet (65) og lager til slutt amidet (67).
Skjema 1-30. Foreslått mekanisme av amidsyntese med CDI (62) som koblingsmiddel.117
Johansson et al. presenterte en «one-pot»-prosedyre som aktiverte fettsyrer med CDI og reagerte dem med utvalgte aminer.102 Reaksjonen foregikk i romtemperatur med diklormetan som løsemiddel (skjema 1-31). I de utprøvde reaksjonene fant Johansson et al. ingen eller kun spormengder av biprodukter eller startmaterialer. De oppnådde utmerkede utbytter på de fleste av de undersøkte forbindelsene. De fant også at prosedyren kunne brukes til den direkte koblingen av aminhydrokloridsalter i romtemperatur, som er svært nyttig for syntese av sensitive FAAer.102
Skjema 1-31. Syntese av (5Z,8Z,11Z,14Z,17Z)-1-(4-metylpiperazin-1-yl)icosa-5,8,11,14,17-pentaen-1-on (70) med prosedyren av Johansson et al.102
Johansson et al. brukte den nye prosedyren til å syntetiserte mer enn 35 ulike amider av N- benzyl FAAer og sekundære amider.102 De oppnådde noe lavere utbytte når de koblet mettede fettsyrer enn de tilsvarende flerumettede fettsyrene (PUFAs). De undersøkte om problemet var relatert til løselighet ved å prøve ut andre løsemidler, men det var ikke mulig å konkludere med en begrunnelse. De undersøkte også om bruk av beskyttelsesgrupper kunne øke utbyttet, men oppnådde ikke annet enn sammenliknbare resultater.102
1.4.4 Aminering
Begrepet aminering brukes om kjemiske reaksjoner hvor en aminogruppe introduseres inn i et annet molekyl. I Tripathi et al. sin oversiktsartikkel oppsummeres det at aminering kan oppnås gjennom en alkylering av ammoniakk eller aminer, reduktiv aminering, elektrofil aminering eller Mannich reaksjonen.118
Ved alkylering av ammoniakk lages aminer gjennom en to-stegs-prosess. Det første steget er en nukleofil substitusjon (SN2 reaksjon). Ved å deretter tilsette en sterk base vil det frie aminet være tilgjengelig.119 (Skjema 1-32)
Skjema 1-32. Alkylering av ammoniakk (rød) til et primært amin (blå). X = halid.119
En utfordring med å lage aminer på denne måten er at det primære aminet som produseres er fortsatt i en blanding med både ammoniakk og alkylhalid. Det primære aminet vil derfor kunne
aminet. Videre vil naturligvis også det sekundære aminet reagere med alkylhalidet og lage et tertiært amin, og i en enda større mengde, ettersom det sekundære aminet er enda mer reaktivt enn både ammoniakk og det primære aminet. For å unngå dette og oppnå gode utbytter kan forholdet mellom reaktantene justeres. For eksempel kan reaksjoner med overflødig ammoniakk produsere et primært amin som hovedprodukt.119
Skjema 1-33. Elektrofil substitusjon og -addisjon. M = metall, X = halid
Elektrofil aminering kan klassifiseres som enten elektrofil substitusjon eller elektrofil addisjon (skjema 1-33). Disse reaksjonene produserer ikke alltid i et amin, men lager en forbindelse som inneholder en karbon-nitrogenbinding ved hjelp av et elektrofilt amineringsmiddel, som blant annet kan lage aminer. Amineringsmidlene består av en elektrontiltrekkende funksjonell gruppe bundet til et nitrogen. Ved elektrofil substitusjon er metalaminer, haloaminer (kloraminer), hydroksylaminer, hydroziner og oksaziridiner de vanligste amineringsmidlene.
Addisjonsreaksjonene bruker vanligvis iminer, oksimer, azider, diazonium salter, og diazo- og azoforbindelser.120 Et eksempel på en elektrofil substitusjon er Gabriels syntese som bruker kaliumftalimid (71) som amineringsmiddel (skjema 1-34).121
Skjema 1-34. Gabriels syntese av et primært amin med kaliumftalimid (71) som amineringsmiddel.121
Mannichreaksjonen innebærer kondensasjonen av ammoniakk, et primært eller et sekundært amin med formaldehyd og en forbindelse som inneholder minst ett surt hydrogenatom (markert
erstattes av en aminometyl eller substituert aminometylgruppe.122 Dersom kondensasjonen utføres med en forbindelse med mer enn ett surt hydrogenatom vil den substituerte aminometylgruppen feste seg ved ulike plasseringer på molekylet og det vil dannes isomerer.122
Skjema 1-35. Mannichreaksjon med et amin (rødt), formaldehyd (blått) og en forbindelse med et surt hydrogenatom (grønt).
Av de overnevnte metodene er reduktiv aminering blant de eldste, men også mest brukte syntetiske transformasjonen for å danne et amin.123-127 Ved reduktiv aminering reageres et aldehyd eller et keton med et amin i en «one-pot»-blanding med et reduksjonsmiddel, se skjema 1-36. Denne metoden er svært nyttig og allsidig for å lage aminer og relaterte funksjonelle forbindelser i organisk syntese.125-127
Skjema 1-36. Reduktiv aminering av et keton og et sekundært amin.119
Valg av reduksjonsmiddel er kritisk for reaksjonen ettersom reduksjonsmiddelet må redusere iminer eller iminiumioner fremfor aldehyder og ketoner. Mange ulike reduksjonsmidler er kjent, blant annet natriumcyanoborhydrid (NaBH3CN), natriumtriacetoksyhydroborat (NaBH(OAc)3) og boranpyridinkompleks (pyr-BH3). NaBH3CN har tidligere blitt brukt som et reduksjonsmiddel, men fordi det lager det svært giftige biproduktet cyanid brukes ikke dette middelet i dag. NaBH(OAc)3 har også blitt mye brukt, men det blir raskt redusert i metanol og vann, og er derfor ikke mulig å anvende i alle situasjoner. Det må også brukes store mengder av NaBH(OAc)3 ettersom det kun har ett fritt hydrogen.
Sato et al.128 ønsket å finne et grønnere og mer anvendelig alternativ til de overnevnte reduksjonsmidlene, og fant at -picolinboran (pic-BH3) (72) (figur 1-15) var et rimelig, kommersielt tilgjengelig stoff som kunne erstatte de tidligere reduksjonsmidlene. I sammenlikning med boranpyridinkompleks (pyr-BH3) (73) er pic-BH3 et kommersielt tilgjengelig stoff i krystallinsk, fast from som er mer stabilt mot varme, og pic-BH3 kan renses ved omkrystallisering fra heksan og lagres i lange perioder uten merkbar spaltning, i forhold til pyr-BH3 som har en holdbarhet på rundt 6 måneder. Sato et al. undersøkte virkningen av pic- BH3 ved reduktiv aminering på et spekter av aldehyder og ketoner med både primære og sekundære aminer og oppnådde gode til utmerkede utbytter. Gruppen reagerte benzaldehyd (74) med anilin (75) som produserte N-benzylalinin (76) i 95% utbytte (skjema 1-37).128
Skjema 1-37. Reduktiv aminering av benzaldehyd (74) med anilin (75) med pic-BH3 (72) som reduksjonsmiddel.128
Sato et al.128 forsøkte reduktiv aminering i tre ulike løsemiddelblandinger; i metanol, i vann og uten løsemidler. De forsøkte å reduktivt aminere en rekke aldehyder og ketoner med både primære og sekundære aminer. Med metanol som løsemiddel (MeOH-AcOH, 10:1) oppnådde Sato et al. gode utbytter.128 Det er generelt akseptert at strengt vannfrie forhold er gunstige for å danne iminer og iminiumion, som deretter reduseres av et reduksjonsmiddel. Det er imidlertid vanskelig å opprettholde et vannfritt miljø, derfor forsøkte Sato et al. å også utføre reaksjonen i et løsemiddelsystem som inneholdt en liten mengde vann (MeOH-AcOH-H2O (10:1:1)). Dette løsemiddelsystemet ga noe senket, men tilnærmet like utbytter som i det vannfrie miljøet.128 Vann er et billig, ikke-giftig, ikke-brennbart og miljøvennlig løsemiddel, men kan også føre med seg vanskeligheter. Det er kjent at dehydrering er en utfordring å gjennomføre i vann129, og det har ikke blitt rapportert om reduktiv aminering i et løsemiddelsystem som inneholder vann annet enn på noen aldehyder som kun er tilgjengelig i vandig løsning kommersielt. Dette skyldes at likevektsdannelsen av iminer eller iminiumioner fra karbonylforbindelser og aminer ved eliminering av vannmolekyler er foretrukket under vannfrie forhold, men ville forventes å være svært ugunstig i et vandig miljø (skjema 1-38).128 Sato et al. fant at vannløselige aminer
ikke ble reduktivt aminert i tilfredsstillende utbytte i det vandige miljøet. Derimot gikk reaksjoner med lite vannløselige karbonylforbindelser og aminer jevnt og ga et høyt utbytte.
Selv om vannets rolle ikke var helt klart, konkluderte gruppen med at det vandige miljøet promoterte hydrofob tilknytning av karbonylforbindelser, aminer og pic-BH3, når de respektive substratene var lite vannløselige. Ut ifra resultatene til gruppen konkluderte de også med at pic- BH3 hadde en god selektivitet for reduksjon av iminer over aldehyder og ketoner.128
Skjema 1-38. Amidsyntese i vannfritt vs. vandig miljø.
Sato et al.128 gjennomførte også forsøket uten løsemidler til stede. De begrunnet dette med at løsemidler er økologisk skadelige, og at derfor, fra et økologisk standpunkt, er den beste løsningsmiddelformuleringen ingen løsemiddel. Flere karbonylforbindelser og aminer, selv vannløselige aminer, oppnådde et høyt utbytte ved denne metoden. Derimot ble utelukkende primære karbonyl- og aminforbindelser undersøkt. Ettersom de aktuelle forbindelsene i denne oppgaven begge er sekundære ble ikke denne metoden vurdert da en metode skulle velges, da denne metoden antagelig ikke ville gi tilfredsstillende resultater.
1.5 Syntesestrategi
I syntesen mot målmolekylet 1 skulle etablerte prosedyrer benyttes. Først skulle palladiumkatalysatoren 33 syntetisert etter Waymouth-gruppens prosedyre, som var de første til å syntetisere og ta i bruk denne katalysatoren.80 Denne katalysatoren har blitt mye brukt til selektiv oksidasjon av karbohydrater og er katalysatorens meget gode selektivitet er godt dokumentert. Katalysatoren 33 skulle brukes til å oksidere C3 hydroksylgruppen på xylan til en karbonylgruppe etter prosedyren til Chung og Waymouth.130
Videre skulle palmitinsyre og N-Boc-piperazin skulle kobles sammen i en amidkobling etter prosedyren til Johansson et al. (skjema 1-39).102 Piperazin er et syklisk, symmetrisk molekyl med to aminogrupper. Der var av den grunn foretrukket å kjøpe N-Boc-piperazin kommersielt fremfor å syntetisere den selv, ettersom kun én av aminogruppene skulle være beskyttet. Dette var for å kontrollere at kun én fettsyre festet seg til aminet, og slik at én aminogruppe kunne kobles til karbohydratet etter avbeskyttelse.
Skjema 1-39. Amidkobling av palmitinsyre (77) og N-Boc-piperazin (78) med Johansson et al.102 sin prosedyre, skisse inspirert av Woodman et al.131
Etter amidkoblingen skulle Boc-gruppen avbeskyttes fra piperazinenheten med George et al.9 sin prosedyre. Blant George et al.9 sine resultater presentere de avbeskyttelsen av to ulike sekundære aminer. Avbeskyttelsen ga gode resultater med 64% og 87% utbytte, men reaksjonstidene var blant de lengste i resultatene. Resultatene er presentert i tabell 1-2. De gode utbyttene oppnådd av George et al. indikerer gode resultater for avbeskyttelsen fra piperazinenheten, som også er et sekundært amin.
Tabell 1-2. Avbeskyttelse av strukturelt ulike N-Boc-aminer9
Substrat Tid (h) Produkt Utbytte (%)
2.5 64
4 87
Til slutt skulle det avbeskyttede amidet kobles til C3 karbonylgruppen på xylan gjennom reduktiv aminering etter Sato et al.128 sin prosedyre. Som nevnt tidligere utførte Sato et al. den reduktive amineringen i tre ulike miljøer; i metanol, i vann og uten løsemidler. Ved valg av prosedyre sto valget mellom to aktuelle metoder; i et vannfritt miljø (i metanol) og en i et vandigmiljø.128 Sato et al.128 påpekte i sin publikasjon at det er mer krevende å opprettholde et vannfritt miljø, og reaksjonen i et vandig miljø vil være enklere å gjennomføre. Ved reduktiv aminering mellom en sekundær karbonylforbindelse og et sekundært amin, som likner vår syntese, ble best utbytte oppnådd i det vannfrie miljøet (98%). Likevel ble et meget godt utbytte oppnådd i det vandige miljøet (90%), som er et tilstrekkelig godt resultat med den enkleste metoden. Derfor ble prosedyren i det vandige miljøet valgt i denne oppgaven.
2. Resultater og diskusjon
Det ble kun mulighet til å syntetisere palladiumkatalysatoren på laboratoriet, resultater og diskusjon av dette er beskrevet nedenfor. Det videre arbeidet som ikke kunne gjennomføres er beskrevet under «Planlagt fremgangsmåte».
2.1 Syntese av palladiumkatalysator
For å syntetisere målmolekylet 1 skulle C3 posisjonen av den reduserende enden på xylan oksideres. Denne oksidasjonen skulle katalyseres av katalysatoren [(2,9-dimetyl-1,10- fenantrolin)Pd(μ-OAc)]2(OTf)2 (33). Syntesen av denne katalysatoren ble gjort etter den etablerte prosedyren utarbeidet av Waymouth-gruppen (skjema 2-1).80
Skjema 2-1. Syntese av [(2,9-dimetyl-1,10-fenantrolin)Pd(μ-OAc)]2(OTf)2 (33).
2.1.1 Syntese av (2,9-dimetyl-1,10-fenantrolin)Pd(OAc)2 (34)
Skjema 2-2. Syntese av (2,9-dimetyl-1,10-fenantrolin)Pd(OAc)2 (34).
Syntese av 34 ble utført med neocuproine (80) og palladium(II)acetat (81) etter prosedyren til Waymouth-gruppen.132 Reaksjonen ga 34 i et utbytte på 84%, mot Waymouth-gruppens 77%.
Spektrale data stemte overens med tidligere rapportert data.133
I 1H NMR spekteret vises de karakteristiske resonansene for metylgruppene ved 2.98 ppm (6H) og 2.06 ppm (6H). Aromatprotonene vises ved de karakteristiske resonansene ved 8.31 ppm (2H), 7.85 ppm (2H) og 7.50 ppm (2H).
